热管理材料系列3：隔热材料及热电材料

隔热材料

隔热材料主要是指具有绝缘性能、对热流可起屏蔽作用的材料或材料复合体，通常具有质轻、疏松、多孔、导热系数小的特点，工业上广泛用于防止热工设备及管道的热量散失，或者在冷冻和低温条件下使用，因此又被称为保温或保冷材料，同时由于其多孔或纤维状结构具有良好的吸声功能，也广泛用于建筑行业[2]。

1.1. 材质分类

隔热材料依据材质可分为无机隔热材料、有机隔热材料、金属及其夹层隔热材料。

无机材料：（1）天然矿物，如石棉、硅藻土等；（2）人造材料，如陶瓷棉、玻璃棉、多孔类隔热砖和泡沫材料。此类材料具有不腐烂、不燃烧、耐高温等特点，多用于热工设备及管道保温。

有机材料：（1）天然有机类，如软木、织物纤维、兽毛等；（2）人造或合成有机类，如人造纤维、泡沫塑料、泡沫橡胶等；（3）蜂窝材料，如蜂窝纸、蜂窝板。此类材料具有导热系数极小、耐低温、易燃等特点，适用于普冷下的保冷材料。

金属及其夹层隔热材料：（1）金属材料，如铜、铝、镍等箔材；（2）金属箔与有机或无机材料的夹层（或蜂窝）复合材料。此类材料具有很高的红外辐射反射率，主要应用于航空航天中的高温热防护领域。

1.2. 形态分类

隔热材料依据材料形态可分为多孔隔热材料、纤维状隔热材料、粉末状隔热材料和层状隔热材料。

多孔材料又称泡沫隔热材料，具有质量轻、绝缘性能好、弹性好、尺寸稳定、耐稳定性差等特点，主要有泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫橡胶、硅酸钙、轻质耐火材料等。

纤维状隔热材料又可分为有机纤维、无机纤维、金属纤维和复合纤维等，工业上主要应用的是无机纤维，如石棉、岩棉、玻璃棉、硅酸铝陶瓷纤维、晶质氧化铝纤维等。

粉末状隔热材料主要有硅藻土、膨胀珍珠岩及其制品，主要应用在建筑和热工设备上。

1.3. 新型隔热材料

1.3.1. 气凝胶保温隔热材料

气凝胶通常是指以纳米量级超微颗粒相互聚集构成的纳米多孔网络结构，并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料，孔隙率高达80%~99.8%，密度低至0.003g/cm³，常温热导率低于空气，是一种较为理想的轻质、高效隔热材料。

气凝胶隔热材料主要包括SiO₂气凝胶、ZrO₂气凝胶、Al₂O₃气凝胶、Si-C-O气凝胶及碳基气凝胶（如石墨烯气凝胶）等，在建筑、石化、航空航天等领域有广泛使用。如民用领域的气凝胶透明玻璃墙体、硅气凝胶夹芯板及柔性气凝胶隔热毡等，广泛应用于管道、飞机、汽车等保温体系中；航天航空领域的陶瓷纤维-气凝胶复合隔热瓦等。

1.3.2. 碳质保温隔热材料

碳毡是一种低强碳纤维，主要可由聚丙烯腈纤维、沥青（石油沥青和煤沥青）碳纤维、酚醛纤维、纤维素（即粘胶人造丝）纤维等制成，其导热系数小、热容量低、密度小、线膨胀系数小、耐高温、耐热冲击强、耐化学腐蚀性强、高纯无污染等优异特性，主要应用于晶体硅铸锭炉、柴油车尾气过滤器用陶瓷烧结、金属热处理、稀土类磁性材料制造、半导体晶圆生产设备、真空电阻炉、感应炉、烧结炉、热处理炉等。

1.3.3. 复合保温隔热材料

复合硅酸盐保温材料具有可塑性强、导热系数低、耐高温、浆料干燥收缩率小等特点，主要有硅酸镁、硅镁铝、稀土复合材料等。海泡石保温隔热材料是复合硅酸盐保温材料中的佼佼者，硅酸铝耐火纤维可以制作薄层陶瓷纤维隔热层，或者纤维垫、纤维毡、纤维板、纤维纸、纤维绳及织物等，可广泛用于航空航天领域等。

隔热保温材料是节约能源的一个有效手段，开发科技含量高、性能优良且稳定、使用寿命长、制造成本低、环境友好的隔热材料是未来发展的重点和热点，其中憎水性保温隔热材料（如硅酸盐材料）、泡沫类保温隔热材料（如应用于核工业的泡沫陶瓷、建筑隔热的泡沫玻璃等）、环境友好型保温隔热材料（如利用粉煤灰制备热工窑炉用隔热材料）等是主要的发展方向。

热电材料

图1. 热电制冷器件

热电制冷器件是利用热电材料的Peltier效应，可以在通入电流的条件下将热从高温端转移到低温端，实现电到热的转化，提高电子模块封装的冷却效果，从而减少芯片结温或适应更高的功耗。理想的热电材料需要高的无量纲优值（zT），即低的热导率、高的功率因子；热电制冷器件具有小巧、无噪音、没有活动部件等优势、还可以进行主动温度控制，是固态激光器、焦平面特测器阵列等必备冷却装置，还可以利用Peltier效应的逆效应Seebeck效应将汽车尾气等热能转化为电能[3]。

热电制冷器件可调节的热流量大小有限，能效比（Coefficient of Performance，COP）要比传统的冷凝系统低，并依赖于应用环境（通常小于1），意味着热电制冷器件所消耗的电能相当/或大于元器件被冷却的功率耗散，这些缺点主要是由于热电材料本身的局限所致，所以热电制冷器件目前仅应用在相对较低的热流量场合。为了改善热电制冷器件的性能，开发高性能的热电材料是业界主要的研究方向之一。

图2. n型（a）及 P型（b）典型热电材料的无量纲优值 zT

小结

从工程应用的角度而言，对于热管理材料的要求是多方面的。例如，希望热界面材料在具有高热导率的同时保持高的柔韧性和绝缘性；对于高导热封装材料，则希望高的热导率和与半导体器件相匹配的热膨胀率；对于相变储热材料，则希望高的储热能力和热传导能力。为了同时兼顾这些特性，将不同的材料复合化在一起从而达到设计要求的整体性能是热管理材料的发展趋势，性能主要影响因素有增强体的物性（热导率、热膨胀率、体积分数、形状及尺寸）、基体的物性（热导率和热膨胀率等）、增强体/基体的界及增强体在基体中的空间分布（弥散或连续分布）。

近来人们研究发现，材料的非均匀复合构型（如混杂、层状、环状、双峰、梯度、多孔、双连续/互穿网络、分级、谐波等）更有利于发挥复合设计的自由度和复合材料中不同组元间的协同耦合效应，复合界面（亚微米尺度界面层）的微观结构精细调控（化学成分、结合状态、微观结构及物相组成等）影响着界面处产生的界面应力、界面化学反应、界面组分偏析、界面结晶等界面效应，导致界面处热及力学性能的不同，从而显著影响到复合材料的热导率及热膨胀率，这些已经成为热管理材料复合化研究的主要方向[1]。

参考文献

[1] 何鹏，耿慧远。先进热管理材料研究进展，材料工程，2018，46(4), 1-11.

[2] 施伟，谭毅，曹作暄。隔热材料研究现状及发展趋势，材料导报，2012，26（19），344-347。

[3] Tiejun Zhu, Yintu Liu, Chenguang Fu, Joseph P. Heremans, Jeffrey G. Snyder, Xinbing Zhao. Compromise and Synergy in High-Efficiency Thermoelectric Materials. Advanced Materials, 2017, 29(14), 1605884.